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Energieautarke Mikrosysteme werden aufgrund ihrer erhöhten Leistungsfähigkeit in der Zukunft gänzlich neue Anwendungsfelder eröffnen, und zwar insbesondere in der Automationstechnik, der Gebäudetechnik oder im Automobilbereich. Die Vorteile eines derartigen Systems liegen vor allem in der geringen Bauteilgröße, dem kabellosen Betrieb und der Wartungsfreiheit.
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Die benötigte elektrische Energie wird durch Energiewandlung aus den in der jeweiligen Systemumgebung zur Verfügung stehenden Energieformen gewandelt. Typisch nutzbare Energien sind beispielsweise Vibrationen, Wärme, Strahlung, Druckschwankungen oder chemische Energie. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird lediglich eine Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie betrachtet. In der Literatur sind Konzepte vibrationsbasierter Energiewandler und deren Realisierung zu finden. Jedoch stehen keine kommerziellen Gesamtsysteme zur Verfügung. Derartige Ansätze solcher energieautarker Mikrosysteme zielen insbesondere auf vernetzte Funksensoren. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines energieautarken Mikrosystems.
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Es existieren drei weit verbreitete physikalische Prinzipien für eine Energiewandlung von mechanischen Vibrationen in elektrische Energie, und zwar piezoelektrisch, kapazitiv und induktiv. MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) basierende Energiewandler beruhen dabei auf einem Feder-Masse-Prinzip und weisen somit ein resonantes Verhalten auf. Eine Energiewandlung erfolgt also lediglich im Bereich der Resonanzfrequenz mit hinreichender Effizienz. Im Vergleich der drei Wandlungsprinzipien besitzen piezoelektrische Wandler die größte, praktisch erreichbare Energiedichte und sind somit insbesondere für den Einsatz bei geringeren Frequenzen geeignet. Es lassen sich insbesondere piezoelektrische als auch kapazitive Wandler in MEMS-Bauweise umsetzen. Die Technologie für den Bau eines induktiven MEMS-Wandlers gestaltet sich hingegen schwierig. Des Weiteren weißt das induktive Prinzip ein schlechteres Skalierungsverhalten auf und die zu erwartenden elektrischen Spannungen sind vergleichsweise gering. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere kapazitive Energiewandler.
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Herkömmliche kapazitive MEMS-Energiewandler bestehen im Wesentlichen aus einem geladenen variablen Plattenkondensator, der als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System ausgeführt wird. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines kapazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System. Eine aufgehangene Masse m ist gleichzeitig die bewegliche Elektrode. Das Gehäuse beinhaltet die Gegenelektrode des Plattenkondensators, wobei das Gehäuse direkt an die Vibrationsquelle angekoppelt wird. Das resonante Verhalten führt bei mechanischer Vibration zu einem sich periodisch ändernden Plattenabstand hk. Ist der Kondensator elektrisch vorgespannt, führt diese Bewegung zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator. Diese elektrische Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand extrahiert und damit nutzbar gemacht werden. Diese Wirkungsweise betrifft ebenso die Idee der vorliegenden Anmeldung.
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Das elektrische Vorspannen der mikromechanischen Kondensatorstruktur erfolgt hierbei entweder mittels Elektret, Austrittsarbeitsdifferenz der Elektroden oder geeigneter elektrischer Beschaltung.
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Allen herkömmlichen kapazitiven MEMS-Energiewandlern weisen das Merkmal auf, dass die Energiewandlung entweder auf Änderung des Elektrodenabstandes Δd bzw. hk: E∝ΔC = ε· A / Δd (1) oder auch Änderung der Elektrodenfläche der variablen Kondensatoranordnung beruht (ΔA): E∝ΔC = ε· ΔA / d (2)
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Energiewandler und ein Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie derart bereitzustellen, dass eine im Vergleich zu herkömmlichen kapazitiven Energiewandlern eine höhere Leistungsausbeute, eine einfachere technologische Umsetzung und eine höhere mechanische Stabilität geschaffen werden kann. Der Energiewandler und das Verfahren sollen insbesondere auf MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches-System) Basis ausgeführt sein.
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Die Aufgabe wird durch einen kapazitiven Energiewandler gemäß dem Hauptanspruch und ein entsprechendes Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein erster kapazitiver Energiewandler zur Wandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie bereitgestellt, wobei der Wandler ein durch zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektrodenflächen erzeugtes Kondensatorvolumen aufweist. Der Energiewandler zeichnet sich dadurch aus, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine dadurch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie bereitgestellt, dass mittels eines durch zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektrodenfläche erzeugtes Kondensatorvolumen ausgeführt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine dadurch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.
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Ist der das Kondensatorvolumen erzeugende Kondensator elektrisch vorgespannt, führt die zeitlich variabel bereitgestellte Gesamtpermittivität im Kondensatorvolumen zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator. Diese elektrische Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand extrahiert und dann benutzbar gemacht werden. Das elektrische Vorspannen der insbesondere mikromechanischen Kondensatorstruktur kann beispielsweise mittels Elektret, Austrittsarbeitsdifferenz der Elektroden oder geeigneter elektrischer Beschaltung bewirkt werden.
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Der erfindungsgemäße Ansatz nutzt im Vergleich zum Stand der Technik eine Änderung einer relativen Permittivität eines Dielektrikums aus, um elektrische Energie zu generieren: E∝ΔC = Δεr·ε0· A / d (3)
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Die Idee gemäß der vorliegenden Anmeldung beruht auf der Ausnutzung der Änderung der Permittivität des Dielektrikums innerhalb der Kondensatoranordnung im Gegensatz zu den herkömmlichen Wandlern, die entweder auf einer Flächen-(ΔA) oder Abstandsänderung (Δd) beruhen. Es ergeben sich folgende Vorteile:
- – eine höhere Leistungsausbeute, da Δεr > ΔA bzw. Δεr > 1/Δd gestaltet werden kann;
- – einfachere technologische Umsetzung, insbesondere in MEMS, da das bewegliche Dielektrikum nicht elektrisch kontaktiert werden muss;
- – keine mechanische Instabilität im Vergleich zu Δd-Ansätzen. Bei Δd-Ansätzen kann es zu einem ”Klebenbleiben” oder ”Sticking” kommen, sobald die elektrostatisch anziehende Kraft zwischen den Elektroden größer wird als die mechanische Rückstellkraft der Feder.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gesamtdielektrikum mit der Gesamtpermittivität mittels eines eine erste relative Permittivität aufweisende Mediums oder Vakuums im Kondensatorvolumen erzeugt sein, zu dem ein eine zweite relative Permittivität aufweisender Dielektrikumkörper entsprechend der Vibration periodisch hinzugefügt und entfernt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und auf einer Gegenelektrode erzeugt sein, die an ein Gehäuse befestigt sein können, wobei der Dielektrikumkörper in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen schwingfähig angeordnet sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Dielektrikumkörper in dem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen mindestens einem in dem Gehäuse befestigten Federelement aufgehängt, angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Achse von Auslenkungen durch die Vibration identisch mit einer Achse sein, entlang der die Federelemente am wirksamsten eine periodische Längenänderung, durch Biegung oder Formveränderung ausführen können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Medium Luft oder ein anderes Gas sein und der Dielektrikumkörper aus Silizium oder Bleizirkonat-Titanat bestehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Energiewandler auf Mikrosystem-Basis als ein dreifacher Waferstapel erzeugt sein, wobei zwei äußere Elektrodenwafer mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss aufweisenden Elektrodenflächen das Kondensatorvolumen erzeugen, indem ein an Federelementen aufgehängter Dielektrikumkörper mittels eines mittleren Wafers ausgebildet sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden äußeren Elektrodenwafer Pyrexwafer und der mittlere Wafer ein Siliziumwafer sein, wobei zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen ein externer elektrischer Lastwiderstand elektrisch angeschlossen sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sein, die zusammen mit dem Dielektrikumkörper als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sein können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Breite der digitalen Fingerstrukturen an eine Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikumkörpers angenähert sein.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine herkömmliche Darstellung eines energieautarken Mikrosystems;
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2 eine herkömmliche Darstellung eines kapazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System;
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiewandlers;
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers auf MEMS-Basis;
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5 zeigt eine Draufsicht auf einzelne Wafer mit digitalen Fingerstrukturen.
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1 zeigt eine Darstellung eines herkömmlichen energieautarken Mikrosystems. Das energieautarke Mikrosystem I weist einen Sensor 1a oder Aktor 1b auf, der in Interaktion mit der Umwelt 3 steht. Der Sensor 1a und der Aktor 1b stehen im Datenaustausch mit einer Sensor/Aktuator-Schnittstelle 5, die wiederum in Datenaustausch mit einem Mikrokontroller 7 steht. Aus der Umgebung steht Energie 9 in Form von Vibration, Strahlung, chemische Energie, Druckschwankung oder Wärme bereit. Diese wird von einem Mikroenergiewandler 11 in elektrische Energie gewandelt und einer Energieüberwachungs-Elektronik 13 zugeführt. Diese wiederum steht in Energieaustausch mit einem Energiespeicher 15, der als Akkumulator oder Kondensator bereitgestellt sein kann. Die Energieüberwachungselektronik 13 steuert den Mikrokontroller 7 und eine Hochfrequenz-Sende-Stufe 17 an, die eine drahtlose Kommunikation 19 ermöglicht.
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2 zeigt eine herkömmliche Prinzipdarstellung eines kapazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System. Kapazitive MEMS-Energiewandler bestehen im Wesentlichen aus einem geladenen variablen Plattenkondensator, der als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System ausgeführt wird. Ein kapazitiver Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen geladenen variablen Plattenkondensator auf. Eine aufgehangene Masse m ist eine bewegliche Elektrode 20. Ein Gehäuse beinhaltet eine Gegenelektrode 22 eines Plattenkondensators 24. Das hier nicht dargestellte Gehäuse wird direkt an eine Vibrationsquelle angekoppelt. Ein resonantes Verhalten führt bei mechanischer Vibration zu einem sich periodisch ändernden Plattenabstand hk. Ist der Elektrokondensator elektrisch vorgespannt, führt diese Bewegung zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator 24. Diese Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand 26 extrahiert und damit nutzbar gemacht werden. In der 2 sind oben die Parameter einer Federkonstante c und einer Dämpfung δm als Parameter eines Feder-Masse-Systems dargestellt.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Energiewandlers. In einem Gehäuse 30 kann beispielsweise ein Vakuum oder Luft oder ein anderes Gas bzw. Gasgemisch erzeugt sein. Zwischen einer an dem Gehäuse 30 befestigten Elektrode 32 und einer auf der gegenüber liegenden Seite der Elektrode 32 ebenso am Gehäuse 30 fixierten Gegenelektrode 34 ist ein Dielektrikumkörper mit einer relativen Permittivität εr in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen den beiden Elektroden 32 und 34 schwingfähig angeordnet. Grundsätzlich ist es für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ebenso möglich, dass die Elektroden 32 und 34 schwingfähig zum Dielektrikumkörper 36, der fixiert sein kann, beweglich sein können. Grundsätzlich ist ein Dielektrikumkörper 36 zwischen mindestens zwei Federelementen derart aufgespannt, dass der Dielektrikumkörper 36 in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen Elektrode 32 und Elektrode 34 bereitgestellt ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Achse von Auslenkungen durch die. Vibration 38 identisch mit einer Achse 40 ist, entlang der die Federelemente 42 und 48 am wirksamsten eine periodische Längenänderung ausführen. Gemäß 3 und Formel (3) sind Elektrode 32 und Gegenelektrode 34 innen am Gehäuse 30 befestigt, während dessen ein Dielektrikumkörper 36 derart zwischen Federelementen 42 und 44 federnd aufgehängt ist, dass der Dielektrikumkörper 36 in ein Kondensatorvolumen zwischen Elektrode 42 und 34 in die Kondensatoranordnung periodisch ein- und ebenso wieder austauchen kann.
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Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass eine Änderung von Δεr, d. h. die Änderung von der relativen Permittivität εr im Vergleich zur Änderung von ΔA bzw. Δd wesentlich größer ausfallen kann. Eine relative Permittivität innerhalb der Kapazitätsanordnung kann sich beispielsweise zu 1 ergeben, und zwar wenn im Kondensatorvolumen Vakuum oder Luft bereitgestellt ist, wenn sich der Dielektrikumkörper 36 komplett außerhalb des Kondensatorvolumens befindet. Das Kondensatorvolumen ist mit der Bezugszahl 46 bezeichnet. Befindet sich das Dielektrikum bzw. der Dielektrikumkörper, der beispielsweise aus Silizium besteht, komplett innerhalb der Kondensatoranordnung, so liegt die relative Permittivität bei etwa εr = 11,8. Es existieren andere Materialien, die höhere Permittivitäten, beispielsweise bis einige 1000 aufweisen. Ein Beispiel für eine sehr hohe Permittivität ist Bleizirkonat-Titanat, das mit PZT abgekürzt wird.
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Diese Größenordnung an Kapazitätsänderung ist mit den herkömmlichen Ansätzen kaum erreichbar. Beim ΔA-Ansatz ist maximal ein Änderungsfaktor von 1 erreichbar, und zwar Fläche = 0 oder die Maximalfläche. Beim Δd-Ansatz können sinnvollerweise kaum Faktoren größer als 10 erreicht werden, da man beim minimalen Abstand begrenzt ist. Diese Begrenzung liegt zum einen in der Durchbruchfeldstärke begründet, und zwar nach dem Paschen-Gesetz. Zum anderen muss sichergestellt werden, dass die mechanische Rückstellkraft gegenüber der elektrostatisch anziehend wirkenden Kraft dominant bleibt, da es ansonsten zum Verkleben bzw. ”Sticking” kommen kann. Diese mechanische Instabilität führt dann zum Versagen des Bauteils, beispielsweise zu einem elektrischen Kurschluss.
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4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers auf kapazitiver Basis, und zwar auf MEMS-Technologie basierend. Der kapazitive Energiewandler auf MEMS-Basis ist hier als ein dreifacher Waferstapel erzeugt. Zwei äußere Elektrodenwafer 52 und 54 erzeugen mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss 56 und 58 Elektrodenflächen 60 und 62 ein Kondensatorvolumen 64. Ein mittlerer Wafer erzeugt einen an Federelementen 68 aufgehängten Dielektrikumkörper 66. Gemäß der Ausgestaltung nach 4 sind die beiden äußeren Elektrodenwafer 52 und 54 mittels Pyrex erzeugt, wobei der mittlere Wafer 66 ein Siliziumwafer ist. Zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 56 und 58 ist ein externer elektrischer Lastwiderstand RL elektrisch angeschlossen. 4 zeigt eine Abbildung der prinzipiellen Realisierung eines dielektrischen kapazitiven Energiewandlers in MEMS-Technologie einschließlich eines externen elektrischen Lastwiderstandes RL. Der MEMS-Wandler besteht aus einem dreifachen Waferstack der Schichtfolge Pyrex – Silizium – Pyrex. Die Pyrex-Wafer enthalten die Elektrode bzw. Gegenelektrode 52 und 54 mit den dazugehörigen elektrischen Anschlüssen 56 und 58. Der Siliziumwafer 66 enthält die eigentliche an Federn 68 aufgehängte und damit bewegliche Struktur des Dielektrikumkörpers 66, bzw. der entsprechenden Dielektrikumstruktur.
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5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlers. Dabei sind die beiden Elektrodenflächen 60 und 62 auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt, die zusammen mit dem Dielektrikumkörper 66 als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sind. 5 zeigt eine Elektrode 70, eine Gegenelektrode 72 und das Dielektrikum bzw. den Dielektrikumkörper 74. Diese Elemente sind als digitale Fingerstrukturen ausgeführt, so wie dies in 5 dargestellt ist. Das Dielektrikum 74 ist an in Längsrichtung zwei gegenüberliegenden Federn schwingfähig gehalten. Die Achse der Auslenkungen der Vibration ist identisch mit der Längsachse des Dielektrikumkörpers 74. Auf diese Weise wird der Dielektrikumkörper 74 aufgrund der Vibration derart periodisch verschoben, dass der Dielektrikumkörper 74 bzw. die jeweilige dazugehörige Fingerstruktur periodisch in die dazugehörigen Kondensatorvolumen der einzelnen Fingerstrukturen aus einer Ausgangsposition entfernt und wieder hinzugefügt wird. Eine Fingerbreite liegt vorteilhaft im Bereich der Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikums 74. Dies hat den Vorteil, dass sich somit pro Schwingungsperiode das Dielektrikum 74 sowohl mindestens einmal komplett außerhalb als auch mindestens einmal komplett innerhalb des Kondensatorvolumens der Kondensatoranordnung aufhält. Ein derartiges Verhalten macht eine Änderung Δεr maximal. 5 zeigt eine Draufsicht der einzelnen Wafer mit den jeweiligen digitalen Fingerstrukturen. Die digitale Fingerstruktur des Dielektrikumkörpers 74 ist in Längsrichtung von zwei Federelementen 76 gehalten. Die Richtung der Auslenkung der Vibration entspricht einer Längsrichtung des Dielektrikumkörpers 74.
